高溫燃料電池發展新趨勢

撰文／周宜欣、黃孟涵、許寧逸、李瑞益、鄭俊才 圖片提供／周宜欣

高溫燃料電池之運轉系統，可搭配天然氣或再生能源產氫作為燃料。熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）與固態氧化物燃料電池（SOFC）皆屬高溫燃料電池，具有汽電共生的特質，整體發電效率推估分別可達85％及90％，深具產業化發展潛能。

在世界各國追求經濟成長之際，能源需求與日俱增，可用化石燃料存量卻日益減少，可預見的未來，我們將會面臨能源短缺與能源成本日益增加等問題。不僅如此，在全世界對環境品質要求的法規愈趨嚴格之下，溫室氣體減量也受到世界各國重視，此顯現在迫切尋求高效能與低碳排放的新潔淨能源上。

理想的潔淨燃料

氫氣為一種重要的能源傳遞媒介，被視為理想的潔淨燃料，經由燃料電池，實現低污染甚至零二氧化碳（CO2）排放條件下，直接將氫能轉換為電能和熱能。除此之外，氫氣可自工業廢棄物、化石燃料、再生能源等獲得，可有效分散能源來源，降低進口依賴，減少溫室氣體排放及空氣汙染，提升能源使用效率。

相較於傳統石化工業，產氫製程可運用更多元化的含氫原料，製程環節部分，包括氫氣的分離、運輸、分配、儲存、轉化和應用等，均與石化產業相似，不需大幅改變。藉由氫能發電的高效率高溫燃料電池，可使化石燃料的使用量降低，有效達到減少CO2的排放量。另外亦可運用再生能源直接電解水產製氫氣，使用於高溫燃料電池，如此一來將可達到零溫室氣體排放的效果。

氫能與燃料電池之技術開發方向，以高效率產氫、儲氫技術、低成本燃料電池創新材料為主。燃料電池的操作溫度對電池性能影響重大，進而衍生出多類型的燃料電池，如表1 所示。高溫燃料電池因具汽電共生的特性，整體發電效率較高，且高溫燃料電池之運轉系統，可搭配天然氣或再生能源作為燃料，將其轉換為氫氣，深具產業化發展效益。

2009 年挪威維京女士號（VikingLady）裝置320 瓩（kW）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）作為船舶發電系統，目前Viking Lady 已成功運行超過7,000 小時。MCFC 供應船上所有設施運轉所需之電力，發電效率達44.5％，若結合汽電共生，效率更可提升至85％。又因該船採用潔淨的燃料電池，可大幅降低溫室氣體排放，估計每年可以減少排放CO2 4,755 噸、SO233 噸、NOx 180 噸，約相當於20,000 輛私人汽車的排放量，驗證綠色燃料電池技術對減少溫室氣體之排放，具有巨大的潛力。

未來新星─固態氧化物燃料電池

除此之外，固態氧化物燃料電池（SOFC）被視為未來可能發展的潔淨能源方案之一，發電方式如下圖所示。SOFC 採用在高溫下具有傳遞氧離子（O2-）能力的固態氧化物為電解質，不須使用貴重金屬催化劑，以氫氣、天然氣、煤氣等作為陽極燃料氣體，空氣中的氧氣作為陰極氧化劑。天然氣主要成份是甲烷，其含量約占85％ 至95％，甲烷係含氫比例最高之碳氫化合物，可產生氫氣的比例也最高。

甲烷重組可產製含氫量高的重組氣，使用於高溫燃料電池可大幅提高其發電效率。常見的甲烷重組反應模式可分為蒸氣重組法（steam reforming）、自熱重組法（autothermal reforming） 及部分氧化法（partial oxidation），個別反應特性彙整於表2，重組氣所含之氫氣及一氧化碳皆可直接使用於高溫燃料電池。蒸氣重組法單位甲烷莫爾數之產氫量最大，且該反應所需之熱量，恰可運用SOFC 電能輸出時，回收所排出餘熱，使其具備高能源效率、餘熱具應用價值等優點，汽電共生燃料轉換效率達90％。由於SOFC 具有低廢氣排放量、高發電效率、低振動、低噪音等優點，且SOFC 的工作模式與傳統柴油引擎相似，皆為利用外部管線運輸反應物，因此皆可維持長時間且大功率運作。

我國產業未來的新方向

我國政府為加強推動燃料電池產業化及關鍵產業技術國產化，建置符合國際標準的驗證平臺，協助國內業者進入國際市場，於2012 年建立0.52 百萬瓦（MW）氫能示範運轉裝置，如電信基地台備用電力、二輪代步車應用案例等，也涵蓋電動推高機、城市觀光遊艇、移動式電源等應用，得到實際使用驗證並提升產品可靠度。另外燃料電池屬於分散式發電，可排除集中式大電網易受大自然災害重大的衝擊、網路末端可靠度較低及傳輸損失等問題。

在政府多次加碼再生能源目標的情況下，再生能源在我國未來發展一片看好。目前國際趨勢朝向研發再生能源結合高溫燃料電池運轉，未來臺灣亦可建立次世代氫能與高溫燃料電池的研發基地，如此將吸引愈來愈多全球頂尖高科技設備產業來臺成立研發中心，提高國產高溫度燃料電池產業設備的自製率與國際競爭力，並使氫能與高溫燃料電池產業設備成為臺灣產業的新支柱。

關鍵字：高溫燃料電池,汽電共生燃料轉換效率